Only Perception: 科學家創造出可調式「遺傳時鐘」

2008-10-30

科學家創造出可調式「遺傳時鐘」

Scientists Create New Robust Genetic Clock
http://www.physorg.com/news144506053.html

October 29, 2008

UCSD 生物工程師創造出第一個穩定、快速且可程式化的遺傳時鐘（genetic clock），那透過大腸桿菌（E. coli）細胞內螢光蛋白的閃爍，可靠地維持時間。當溫度、能源或其他環境條件改變時，這種時鐘的閃爍率也會改變，這一事實可能導致新類型的感應器，能透過閃爍率傳達關於環境的資訊。

研究者將他們的合成生物學進展發表在 10/29 的 Nature 上。

下一步是將大量大腸桿菌細胞內的時鐘同步化，讓試管中所有的細胞能共同閃爍。"這開始看起來像是要製作一個迷人的環境感應器，" Jeff Hasty 說，UCSD 生物工程教授，同時也是本論文資深作者。在他的實驗室當中的研究者亦開發出精密的微流體系統，能以極大的精確度控制其大腸桿菌的環境狀態。這讓生物工程師們能精確追蹤何種條件影響其時鐘的閃爍率。

合成生物學

一種三階段的合成生物學途徑為 Jeff Hasty 在 UCSD 的系統生物動力學實驗室提供了基礎。你首先為一特定系統，例如遺傳時鐘，寫下計算性模型，接著你從這些模型中發展出設計準則。最後你基於這些設計準則建立遺傳網路 -- 並且觀察這些網路是否與模型的預測相同，Scott Cookson 解釋，該論文的作者之一，同時也是 Hasty 實驗室的博士生。

Hasty 早在 2000 年當他還是博士後研究者時，就已經從頭開始建立一個強健的遺傳時鐘。

"我們最後敲定，一個決定性的觀點是，遺傳網路的負回饋迴圈中小規模的（small time）時間延遲，" Hasty 解釋。"這是合成生物學對於遺傳調控網路之特殊觀點的重要性，能導致有更多理解的一個例子。因為你無法將一個遺傳網路的每一種觀點塑模，你得要理解何者需要在你的模型中說明，以及何者不需要。"

快速、強健、可調的基因時鐘

在這個新時鐘的核心裡是一個負回饋迴圈，當 mRNA 被製造以及有作用的蛋白質被製造時，兩者間包含了一個二分鐘的延遲。在這之上是一個正回饋迴圈，那使這個鐘更加規律與強健。

"看起來負回饋迴圈像是在核心，而正回饋迴圈則像上面的糖衣，" Matthew Bennett，該論文的作者之一，同時也是 UCSD 生物工程系的博士後研究者。

"生物時鐘（Circadian clocks）超級複雜。很難知道必要的模組是哪些，但基於我們的合成時鐘，生物時鐘看來能輕易地以某一類原始的負回饋迴圈開始，同時正回饋迴圈接著到來要調整它，" Hasty 說。

野性振盪

有愈來愈多研究證明，基因功能在細胞內狂野地振盪。

"在個別細胞裡，研究者看見許多基因的活性上下振盪。它們並不單是乏味地開啟或關閉，" Hasty 說。這種觀察只有在最近才興起，因為先前很難將細胞族群同步化至那一種程度，讓振盪能在基因表現陣列中被看見。

"基於我們的發現，所有你需要的是一點點延遲以及負回饋來建立一個簡單的振盪器，我並不驚訝我們正看見整個基因組的振盪。我認為我們在未來會看見更多這個，" Hasty 說。

當被要求更進一步展望未來並預測這樣的合成生物學如何能被應用時，Hasty 說，"在某些意義上，基因療法的載體（vector）問題正要被解決。一但研究者想出如何可靠地在一種受控制的方式下將 DNA 送入，更複雜的步驟將會是以感應器讀取這個細胞的狀態並據此做出反應。你能將一連串的邏輯步驟編寫到 DNA 中，那將對細胞的環境做出反應。這是我們終將達到的地步，但為了要辦到這件事，你需要進行我們現在正在做的基礎性研究，以了解基因網路如何運作。"

※ 相關報導：

＊ A fast, robust and tunable synthetic gene oscillator
http://dx.doi.org/10.1038/nature07389

Jesse Stricker, Scott Cookson, Matthew R. Bennett,
William H. Mather, Lev S. Tsimring & Jeff Hasty
Nature advance online publication 29 October 2008
doi: 10.1038/nature07389